多媒體物聯(lián)網的關鍵技術研究

艾達+南江

摘 要：從物聯(lián)網技術所面臨的數(shù)據存儲、網絡帶寬、數(shù)據處理等問題出發(fā)，歸納總結了多媒體信息應用于物聯(lián)網的特點，分別從感知層、網絡層和應用層三個方面，結合實際應用論述了多媒體物聯(lián)網系統(tǒng)傳感技術、傳輸技術和數(shù)據處理等關鍵技術。最后提出了多媒體物聯(lián)網的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：多媒體物聯(lián)網；多媒體傳感器；傳輸技術；云計算；云存儲；智能處理

中圖分類號：TN919.85 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）03-0073-03

0 引 言

物聯(lián)網概念提出于1999年[1]，通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

早期物聯(lián)網信息交互的量級是字節(jié)級的，在車聯(lián)網、公安物聯(lián)網、醫(yī)聯(lián)網等領域取得顯著進展的同時，面臨著新的技術挑戰(zhàn)。在處理圖像、音頻、視頻等信息量大的感知信息時，數(shù)據存儲、數(shù)據傳輸、數(shù)據的有效利用等已成為必須要解決的問題。

本文從多媒體數(shù)據應用的角度出發(fā)，歸納總結了用新技術解決物聯(lián)網多媒體問題的方法，包括多媒體傳感技術、網絡傳輸技術、數(shù)據處理技術等，并提出了多媒體物聯(lián)網的未來發(fā)展趨勢。

1 多媒體物聯(lián)網

1.1 多媒體物聯(lián)網的概念及特點

借鑒多媒體物聯(lián)網（MCPS Multimedia Cyber Physical System）[2]技術，即通過音頻、視頻、GIS等信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與電信網、廣播電視網、互聯(lián)網、衛(wèi)星定位網連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網絡。我們提出了一個新的名詞“多媒體物聯(lián)網”（M-IOT Multimedia Internet Of Things）。多媒體物聯(lián)網是通過視頻傳感器、拾音器、高感光等信息傳感設備對圖像、音頻、視頻等數(shù)據進行采集、處理，并按照約定的協(xié)議，將采集的數(shù)據在適合的網絡中進行傳輸，最后對采集的數(shù)據進行智能化識別、管理、應用以實現(xiàn)對物理世界的精確控制和智能決策的一種網絡。與傳統(tǒng)的物聯(lián)網相比，多媒體物聯(lián)網具有以下特點：

（1）M-IOT除了能夠處理傳統(tǒng)的標識、溫度、濕度、位置等信息外，能感應和處理音頻、視頻、圖像等多媒體信息；

（2）由于多媒信息的數(shù)據量龐大，必須要經過壓縮、識別、融合等處理后，適合網絡傳輸再進行傳送；從人口量眾多的北京、上海的調查數(shù)據來看，監(jiān)控攝像頭每天的數(shù)據量達到了PB級別。對于山東人口數(shù)量最少的萊蕪，在2013年監(jiān)控攝像頭每天的數(shù)據量居然也達到了PB級；表1所列是5個城市每天的數(shù)據量。

表1 5個城市每天的數(shù)據量

城市（年份） 監(jiān)控攝像頭總數(shù) 數(shù)據量

北京（2009年底） 39萬個 4.68 PB

上海（2010年底） 60萬個 7.2 PB

重慶（2012年底） 50萬個 6 PB

武漢（2013年） 25萬個 3 PB

萊蕪（2013年） 10萬個 1.2 PB

（3）對網絡傳輸速率和寬帶要求高，傳輸速率高到Mb/s級別；

（4）從多個角度全面監(jiān)測目標區(qū)域，可帶來更豐富的物理信息，確保信息的準確性。

2 多媒體物聯(lián)網關鍵技術

參考物聯(lián)網的結構，我們將多媒體物聯(lián)網從其技術架構上主要分為3層：感知層、網絡層和應用層[3]。其結構圖如圖1所示。

2.1 感知層

隨著監(jiān)測環(huán)境的變化，傳統(tǒng)傳感器所獲取的簡單信息已無法滿足現(xiàn)在的需求，如在安防行業(yè)中，實現(xiàn)檢測環(huán)境的實時重現(xiàn)；醫(yī)療行業(yè)中，實現(xiàn)在線就診；智能家居行業(yè)中，實現(xiàn)目標跟蹤等。這就迫切需要將信息量豐富的圖像、音頻、視頻等媒體引入到以傳感器為基礎的環(huán)境檢測活動中來，實現(xiàn)細粒度、精準信息[4]的環(huán)境檢測。由于感知層的多媒體傳感網絡能量受限，在現(xiàn)有的資源條件下，要對采集的信息進行相應的處理來緩解存儲和網絡傳輸壓力。

圖1 多媒體物聯(lián)網技術結構圖

2.1.1 多媒體節(jié)點的部署

節(jié)點的部署與網絡覆蓋、聯(lián)通和能耗等研究有關。多媒體傳感器始終伴隨著能量有限的問題，采用中心匯聚節(jié)點能有效解決傳輸過程中能量消耗過大的問題。參考物聯(lián)網的中心集控式控制結構[5]、分布式控制結構[6]和分級式控制結構[7，8]。在多媒體傳感器節(jié)點系統(tǒng)中，采用中心匯聚與分層控制結構。

2.1.2 多媒體數(shù)據的壓縮編碼

為了減少傳輸視頻流的數(shù)據量，減輕網絡傳輸壓力，對大數(shù)據量的圖像或音視頻進行壓縮編碼。采用現(xiàn)有的JPEG、JPEG2000等編碼方式對靜態(tài)圖像進行壓縮[9]。視頻流壓縮可采用以下壓縮標準：壓縮比高、成像清晰的MPEG-4壓縮標準[10]；在不影響圖像質量的前提下，和MPEG-4標準相比，數(shù)字視頻文件的大小減少50%以上的H.264視頻壓縮標準。針對高分辨率的視頻流，壓縮率與H.264相比，提高30%～50% [11-12]的H.265壓縮標準；克服了壓縮編碼的安全隱患，性能較高，由于專利授權模式簡單，費用相對H.264較低，具有中國自主知識產權的AVS標準；以“忠實于場景的高保真視頻編碼”為核心思想，改善了音視頻內容真實性、完整性和安全性保護不足的缺陷，忠實于當時場景，適應安防現(xiàn)狀，兼顧原有視頻資源的SVAC標準。通過以上標準，易提取出感興趣音視頻對象的編碼信息從而進行傳輸，在節(jié)約網絡帶寬資源的同時還可以提供高質量的多媒體服務。

2.1.3 多媒體數(shù)據的聚集

多媒體數(shù)據收集試圖從感知網絡獲取全部或近似全部的感知信息，然而在大多數(shù)應用場合，信息感知的目的是獲取一些事件信息或語義信息，而不是所有的感知數(shù)據。因此，多數(shù)情況下不需要將所有感知數(shù)據傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，而只需傳輸觀測者感興趣的信息。在滿足應用要求的情況下，從原始感知數(shù)據中選擇少量數(shù)據或提取高層語義信息進行傳輸，從而減少網絡數(shù)據傳輸量。例如公安三所從低層次圖像特征與人類高層次語義信息之間的差異性 [13]著手，將視頻圖像文本化作為研究的核心問題，提出了視頻結構化描述技術。它能代替人智能閱讀視頻，并將其轉化為計算機和人都看得懂的描述語言，傳輸感興趣的文本信息，只要搜索關鍵詞，相應的圖像便推送出來，將大大節(jié)約時間和勞動力，甚至可以通過個性化的定制，由系統(tǒng)自動推送想要的視頻。

2.2 網絡層

多媒體物聯(lián)網的網絡層是建立在現(xiàn)有移動通信網和互聯(lián)網的基礎上的，通過各種接入設備與移動通信網和互聯(lián)網相連，實現(xiàn)應用層和感知層信息的可靠傳達。本文從多媒體的傳輸速率、網絡帶寬入手，介紹該層的相關傳輸技術。

2.2.1 多媒體傳輸技術

目前三星電子研究的HD-SDI[14]端口輸出的傳輸速率達到1.485 Gb/s[15]，實現(xiàn)了多媒體的有效傳輸，在廣電行業(yè)中得到了廣泛應用。其提供的高清圖像是智能監(jiān)控中所需要的優(yōu)質圖像來源。與其他的傳輸模式不同，它采用無壓縮模式，因此對網絡帶寬要求很高。而在有線電視傳輸過程中，超寬帶技術的寬頻帶、高速率、功耗低等優(yōu)點緩解了高寬帶的問題，達到了以更高品質傳輸聲音和圖像的目的。利用先進的碼分多址技術實現(xiàn)最大數(shù)量的用戶合并，在封閉的電纜中，使信號互不干擾。

隨著網絡技術的迅猛發(fā)展，具有不用架設線纜、靈活性強等優(yōu)點的無線網絡彌補了“有線”的缺點，滿足了移動用戶的需求，逐漸贏得了市場的認可。Wi-Fi又稱802.11b標準，憑借組網方便、便于擴展等特點，有著良好的應用前景[16]。無線接入、高速傳輸、網絡可靠性高是Wi-Fi的主要技術優(yōu)點。由于在在802.11網絡上的連接速度是54 Mb/s，終端可以在Wi-Fi環(huán)境下進行大容量數(shù)據的通信，而不會因為寬帶的限制而影響通信質量，然而由于Wi-Fi通信范圍有限，一般僅為幾十米到幾百米。因此，用戶在使用Wi-Fi通信時，其可活動的范圍將要受到限制。

3G以其不受距離限制、網絡帶寬寬、實時性好[17]等特點而廣泛應用于現(xiàn)實生活中。目前市場上生產的無線監(jiān)控設備普遍采用3G傳輸技術。3G技術的使用使得視頻監(jiān)控逐漸擺脫了時間、空間的限制，實現(xiàn)了長距離和實時的視頻傳輸。支持10 Mb/s的高帶寬使得視頻信號傳輸質量大幅度提升。隨著工信部于2013年12月4日向中國大陸的三家電信運營商發(fā)放TD-LTE牌照，標志著我國電信產業(yè)正式進入了4G時代。TD-LTE網絡帶來的將是比3G更快的速度體驗，其上傳和下載的理論峰值分別能達到20 Mb/s和100 Mb/s，能夠滿足對地址和標識、擁塞控制的需求，同時給要求高速率、高移動性、低成本的多媒體數(shù)據應用帶來了更好的發(fā)展機會，是未來技術的發(fā)展方向[18]。

2.3 應用層

應用層完成對感知層所采集的海量數(shù)據的存儲、智能分析和處理，以實現(xiàn)對物理世界的精確控制和智能決策。

2.3.1 云計算、云存儲

云計算中資源池是存儲和處理海量數(shù)據必不可少的硬件條件。在基礎設施層，IaaS可以為物聯(lián)網提供廉價的CPU、存儲空間和帶寬[19]。在云計算模式下，云提供資源池，云模式下的網站程序開發(fā)和管理與擁有獨占的物理資源時沒有差異。它的伸縮性決定了數(shù)據量高峰期可以自動獲得更多的資源，便于數(shù)據的處理和存儲。

云存儲通過網絡提供可配置的虛擬化的存儲及相關數(shù)據的服務。通過集群應用、網格技術或分布式文件系統(tǒng)[20]等功能，將網絡中大量各種不同類型的存儲設備通過應用軟件集合起來協(xié)同工作，共同對外提供數(shù)據存儲和業(yè)務訪問。

一般情況下通過ADSL、DDN等寬帶接入設備來連接云存儲，Web2.0技術實現(xiàn)數(shù)據、文檔、圖片和音視頻等內容的集中存儲和資料共享。通過應用存儲設備來進行數(shù)據的存儲，實現(xiàn)應用軟件功能。云計算的成功應用之一是Google的搜索引擎，它的數(shù)據分布式地存儲在各地的數(shù)據中心，當用戶發(fā)出搜索請求時，可以并行地從數(shù)千臺計算機上發(fā)起搜索并進行排名，將結果反饋給用戶。

2.3.2 面向服務的體系架構

對于整個系統(tǒng)來說，最重要的就是將感知層采集到的數(shù)據進行信息處理和應用集成，從而獲取有價值的信息來指導物理世界高速運轉。面向服務的體系結構（Service-oriented Architecture，SOA）[21]將應用程序的不同功能模塊化，通過標準化的接口和調用方式聯(lián)系起來，實現(xiàn)快速可重用的系統(tǒng)開發(fā)和部署。提高架構的拓展性，提升應用開發(fā)效率，充分整合和復用信息資源。大唐電信提出的關于地質災害監(jiān)測預警解決方案[22]中就采用了基于SOA的服務集成框架，實現(xiàn)了平臺服務和業(yè)務應用的能力解耦，使監(jiān)測管理人員可以通過平臺監(jiān)控服務的健康狀態(tài)和可用性。

應用層可謂是多媒體物聯(lián)網的“大腦”，在各層次間起到協(xié)調的作用，對物理世界進行智能化的管理。目前多媒體物聯(lián)網已應用于智能交通、智能醫(yī)療、智能安防、智能家居等多個領域。

3 結 語

本文從多媒體數(shù)據應用的角度出發(fā)，分別從感知層、網絡層和應用層三個層面對多媒體物聯(lián)網的傳感技術，傳輸技術和智能應用技術進行了闡述。從目前的發(fā)展現(xiàn)狀看，多媒體物聯(lián)網未來在醫(yī)藥、交通、安全等行業(yè)的應用將顯著提升整個社會的信息化和智能化水平。而且隨著產業(yè)技術的不斷更新和發(fā)展，高清、超高清技術必將是未來的發(fā)展趨勢，超高清電影、超高清視頻的傳播將更為廣泛。如何將超高清技術應用到多媒體物聯(lián)網中，將是未來的發(fā)展趨勢。

參 考 文 獻

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